Absolut sichere Signalübertragung mit Hilfe von thermischem Rauschen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung an ein Verfahren zu Informationsübertragung mittels thermischen Rauschens . L.B. Kish, "Absolut sichere klassische Übertragung unter Verwendung von Johnson (-ähnlichem) Rauschen und Kirchhoffs Gesetze", in Physics Letters A352 (2006) 178-182 offenbart eine Anordnung gemäß Figur 1. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur absolut sicheren klassischen Kommunikation mittels thermischen Rauschens vereinfacht und wirksam bereit zustellen. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Informa ^¬ tionsübertragung mittels thermischen Rauschens bereitge- stellt, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer

Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers jeweils zwi ^¬ schen einem Bezugspotential und einem ersten Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rausch ^¬ quelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen sind und jeweils ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder an einer zweiten Schalterstel- lung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zwei ^¬ ter Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch verbin- det, wobei, ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Information der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers, eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein zum ersten Aspekt ent ^¬ sprechendes Verfahren bereit gestellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann, ausgehend von einer mittels der Auswerteschaltung erfassten ersten Art des Rauschsignals bestimmt werden, dass die Schalterstellungen im Empfänger und Sender jeweils zueinander verschieden sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Art von Rauschsignalen Rauschsignale mit maximaler Amp- litude sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann, falls ein Schalter in einer Schalterstellung den Übertragungskanal mit einem Schalterverbindungspunkt und dem dazugehörigen elektrischen Widerstand elektrisch verbindet, diesem ein Bit und dem anderen elektrischen Widerstand ein entgegengesetztes Bit zugeordnet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger er- fasst wird, eindeutig dasselbe Bit für den anderen elektri ^¬ schen Widerstand im Sender bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, kann, falls ein Bit für einen elektrischen Widerstand im Empfänger er- fasst wird, eindeutig das entgegengesetzte Bit für den glei ^¬ chen elektrischen Widerstand im Sender bestimmt werden. Gemäß einer weiteren Vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels einer logischen Invertiereinrichtung für den elektrischen Widerstand im Empfänger das entgegengesetzte Bit erzeugt wer ^¬ den .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Vielzahl von Bits übertragen werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteschaltung zur Erfassung der ersten oder der zweiten Art des Rauschens eine Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Spannungssignals auf dem Übertragungskanal, eine Brü- ckengleichrichterschaltung und einen Tiefpass zur Gleichrichtung des Spannungssignals und einen Komparator zum Verglei- chen des gleichgerichteten Signals mit einem Schwellwert auf ^¬ weisen, wobei, wenn das gleichgerichtete Spannungssignal grö ^¬ ßer als der Schwellwert ist, der Komparator ein Signal erzeu ^¬ gen kann, das die erste Art des Rauschens anzeigen kann. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß dem

Stand der Technik;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens . Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Ein Sender auf der linken Seite der Figur 1 und ein Empfänger auf der rechten Seite der Figur 1 weisen identische Rauschquellen auf. Deren Ausgangsspannungen werden jeweils moduliert auf einen Übertragungskanal übertra- gen. Sender und Empfänger sind zueinander baugleich. Der Sender weist eine erste Rauschquelle und einen dazugehörigen ersten Widerstand sowie eine zweite Rauschquelle und einen dazugehörigen zweiten elektrischen Widerstand auf. Das glei- che gilt für den Empfänger. Auf einer Seite des Senders und auf einer Seite des zu dem Sender baugleichen Empfängers sind jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem ersten

Schalterverbindungspunkt eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungspunkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen. Des Weiteren verbindet ein Schalter in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunktes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger zur Erzeugung einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungskanals elektrisch. Der Übertragungs ^¬ kanal kann beispielsweise eine herkömmliche Kupferleitung aufweisen. Beide Signale des Senders und des Empfängers über ^¬ lagern sich auf den Übertragungskanal. Für die Schalterstel- lungen von Sender und Empfänger existieren insgesamt vier Zustände und zwar sind dies Rl, Rl; Rl, R0; R0, Rl und R0, R0.

Ausgehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ersten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer In- formation der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers, kann eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt werden. Aufgrund der identischen Eigenschaften der Rauschquellen ist nun zu erwarten, dass sich die Signale auf dem Kanal für die beiden Schalterstel- lungen mit unterschiedlichen Widerständen auf Sender- und

Empfängerseite nicht unterscheiden lassen. Diese beiden Zu ^¬ stände werden als sicher bezeichnet. Diese beiden sicheren Zustände werden einer ersten Art des Rauschsignals zugeord ^¬ net. Wird mittels der Auswerteschaltung diese erste Art des Rauschsignals erfasst, kann bestimmt werden, dass die Schal ^¬ terstellungen im Empfänger und Sender jeweils zueinander verschieden sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung folgendermaßen bereitgestellt:

Beispielsweise zeigt Figur 2 einen Rauschgenerator gemäß der vorliegenden Anmeldung. Zum Erzeugen eines Rauschsignals wurde das Lawinenrauschen in einem Basis-Emitter-Übergang eines Bipolar-Transistors vom Typ BC557B genutzt. Um einen Einfluss externer Störgrößen zu minimieren, wurde ein 9 Volt—Block als Spannungsquelle genutzt und die Eingangsspannung über zwei Kondensatoren geglättet. Das Lawinenrauschen ist ein Rauschen des Stromes, dieses wurde über einen hochohmigen Widerstand in ein Spannungssignal mit möglichst hoher Amplitude gewan ^¬ delt. Verstärker

Diese vom Rauschgenerator erzeugte Spannung wurde mit Hilfe einer zwei-stufigen Verstärkerkaskade bestehend aus Operati ^¬ onsverstärkern vom Typ EL5244C verstärkt. Am Ausgang der Verstärkerstufe konnte nun ein Rauschsignal mit einer Amplitude von nahezu 5 Volt Spitzenwert-zu-Spitzenwert abgenommen wer ^¬ den .

Das Schalten zwischen den beiden Widerständen auf Sender- und Empfängerseite erfolgte manuell. Für die beiden Widerstände wurden die Werte 1 ΜΩ und 1 ΚΩ verwendet.

Auswertung

Zum automatischen Zuordnen des Signals auf dem Kanal zu einem Schaltzustand wurde eine Brückengleichrichterschaltung ver- wendet, da die Spannungsamplitude auf dem Kanal durch die

Dämpfung der Modulationswiderstände in Verbindung mit der pa ^¬ rasitären Kapazität der Leitung häufiger kleiner IV wurde, wurde das Signal mit Hilfe einer weiteren Operationsverstärkerschaltung nochmals um den Faktor 5 verstärkt. Der hochoh- mige Eingang des Operationsverstärkers minimierte zusätzlich den Einfluss der Auswerteschaltung auf das Signal des Übertragungskanals. Die Amplitude des verstärkten Signals war nun ausreichend groß, um sie mit Hilfe von herkömmlichen Dioden in einer Brückengleichrichterschaltung und einem daran anschließenden Tiefpass gleichzurichten. Die sich daraus ergebene Spannung war von der Amplitude des Rauschsignals abhän ^¬ gig. Es zeigte sich, dass die höchste Amplitude den beiden sicheren Schaltzuständen zuzuordnen war. Die Zustände mit auf beiden Seiten identischen Schalterstellungen erzeugten geringere Amplituden. Mit Hilfe eines Komparators konnte so aus dem gleichgerichteten Spannungssignal des Kanals ein Signal erzeugt werden, das angibt, ob es sich bei dem aktuellen Zu- stand um einen sicheren handelt. Mit Hilfe dieser Information und dem Wissen um die eigene Schalterstellung war es nun beiden Seiten möglich, die Schalterstellung der anderen Seite und somit den Zustand des kompletten Systems eindeutig zu bestimmen .

Schlüsselerzeugung

Zur Erzeugung eines Schlüssels wurden die Schalter auf beiden Seiten synchron in eine zufällige Position gebracht. Signali ^¬ sierte die Auswerteschaltung einen sicheren Zustand, konnte jede Seite aufgrund ihrer eigenen Schalterstellung ein neues Bit erzeugen. Erzeugt der Sender bei einem sicheren Zustand und der Position des eigenen Schalters auf Rl eine logische 1 und der Empfänger bei einer Positionierung des eigenen Schalters auf Rl eine 0, so erzeugen Sender und Empfänger einen identischen Schlüssel, wenn die 0 bei Rl im Empfänger mittels einer logischen Invertiereinrichtung in eine 1 umgewandelt wird .

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Informationsübertragen mittels thermischen

Rauschens, wobei auf einer Seite eines Senders und auf einer Seite eines zu dem Sender baugleichen Empfängers mit einem ersten Schritt Sl jeweils zwischen einem Bezugspotentials ein erster Schalterverbindungspunkt und eine erste Rauschquelle in Serie zu einem ersten elektrischen Widerstand und zwischen dem Bezugspotential und einem zweiten Schalterverbindungs ^¬ punkt eine zweite Rauschquelle in Serie zu einem zweiten elektrischen Widerstand elektrisch angeschlossen werden. Mit einem zweiten Schritt S2 werden jeweils mittels eines Schal ^¬ ters in einer ersten Schalterstellung mittels des ersten Schalterverbindungspunktes die erste oder in einer zweiten Schalterstellung mittels des zweiten Schalterverbindungspunk- tes die zweite Rauschquelle mit einem Übertragungskanal zwi ^¬ schen Sender und Empfänger zur Erzeugung von einer ersten oder einer zweiten Art eines Rauschsignals des Übertragungs ^¬ kanals elektrisch verbunden. Mit einem Schritt S3 wird, aus ^¬ gehend von der mittels einer Auswerteschaltung erfassten ers- ten oder zweiten Art des Rauschsignals und von einer Informa ^¬ tion der Schalterstellung auf der Seite des Empfängers, eine Information der Schalterstellung auf der Seite des Senders eindeutig bestimmt. Der ersten Art des Rauschsignals werden die Rauschsignale zugeordnet, die einem sicheren Zustand ent- sprechen. Der zweiten Art des Rauschsignals werden die

Rauschsignale zugeordnet, die einem unsicheren Zustand ent ^¬ sprechen. In einem unsicheren Zustand sind die Schalterstel ^¬ lungen im Sender und Empfänger gleich. In dem sicheren Zustand sind die Schalterstellungen im Sender und Empfänger verschieden. Das Rauschsignal auf dem Übertragungskanal kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein.